Interested Article - Трёхцепочечная ДНК

ainsleigh
  • 2020-07-29
  • 1

Трёхцепочечная ДНК. Стрелки указывают на направление от 5'-конца к 3'-концу

Трёхцепочечная ДНК , H-ДНК или три́плекс-ДНК — форма ДНК , в которой три олигонуклеотида обвивают друг друга, формируя тройную спираль. В трёхцепочечной ДНК третья цепь ДНК связывается с двуцепочечной B-формой ДНК, сформированной за счёт уотсон—криковских взаимодействий, с помощью хугстиновских взаимодействий или обратных хугстиновских водородных связей . Трёхцепочечная ДНК может мешать нормальной репликации и повышать частоту мутаций в области формирования.

Триплекс-формирующими олигонуклеотидами (ТФО) называют олигонуклеотиды длиной 15—25 нуклеотидов , которые связываются с большой бороздкой двухцепочечной ДНК, образуя межмолекулярную триплексную ДНК. ТФО могут подавлять транскрипцию за счёт связывания с двойной спиралью ДНК, поскольку при этом сайты связывания транскрипционных факторов оказываются недоступны. Введение ТФО в клетку может быть использовано для контроля экспрессии генов, сайт-направленного мутагенеза и в перспективе может стать одной из стратегий генной терапии .

Структура

Хугстиновские пары оснований

Наиболее стабильные хугстиновские пары: T—A*T и C—G*G

Тимин (T) может взаимодействовать с уотсон — криковской парой T— A посредством хугстиновской водородной связи. Тимин формирует водородные связи с аденином в исходной паре T—A с образованием триплета вида T—A*T . В кислой среде протонированный цитозин (C+) может взаимодействовать с парой C— G также посредством хугстиновских взаимодействий, образуя триплет C—G*C+. Триплеты T—A*T и C—G*C+ — это самые стабильные из возможных триплетов, в то время как триплеты T—A*G и C—G*G являются наименее стабильными .

Внутримолекулярные и межмолекулярные взаимодействия

Триады оснований в H-ДНК: C—G*G, T—A*A, T—A*T и C—G*A +

Существует два класса трёхцепочечных ДНК: внутримолекулярные и межмолекулярные. В случае межмолекулярной триплексной ДНК связь образуется между дуплексом ДНК и ещё одной, внешней цепью ДНК, которая может быть как из гомологичной хромосомы , так и являться триплекс-формирующим нуклеотидом ( англ. triplex forming oligonucleotide, TFO ). Внутримолекулярная трёхцепочечная ДНК формируется из дуплекса с гомопуриновыми и гомопиримидиновыми участками с повторяющейся зеркальной симметрией . На количество сформированной внутримолекулярной трёхцепочечной ДНК влияет степень сверхспирализации ДНК . Выделяют два типа внутримолекулярной триплексной ДНК: H-ДНК и H*-ДНК. H-ДНК формируется в кислой среде в присутствии двухвалентных катионов , таких как Mg 2+ . В этой конформации гомопиримидиновая цепь в дуплексе выворачивается назад, чтобы связаться параллельным образом с пуриновой цепью. Эту конформацию стабилизируют триады оснований T—A*T и C—G*A+. В случае последней триады цитозин должен быть протонирован, именно поэтому для формирования H-ДНК необходима кислая среда . H*-ДНК образуется при нейтральных значениях pH в присутствии двухвалентных катионов. В случае H*-ДНК гомопиримидиновая и пуриновая цепи связываются друг с другом антипараллельно. H*-ДНК стабилизируется за счет триад T—A*A и C—G*G .

Образование

Триплекс-формирующие олигонуклеотиды

Триплекс-формирующими олигонуклеотидами (ТФО) называют олигонуклеотиды длиной 15—25 нуклеотидов , которые связываются с большой бороздкой двухцепочечной ДНК, образуя межмолекулярную триплексную ДНК. Получен ряд свидетельств того, что in vivo эти олигонуклеотиды могут принимать участие в регуляции экспрессии генов .

ТФО, как правило, связываются с гомопуриновыми или гомопиримидиновыми участками, которые наиболее часто встречаются в области промоторов и интронов в составе генов . ТФО могут подавлять транскрипцию за счёт связывания с двойной спиралью ДНК, поскольку при этом сайты связывания транскрипционных факторов оказываются недоступны. Введение ТФО в клетку с помощью трансфекции или иными способами может быть использовано для контроля экспрессии генов , сайт-направленного мутагенеза и в перспективе может стать одной из стратегий генной терапии . Например, в 2004 году был создан ТФО, который специфично связывает промотор гена, кодирующего транскрипционный фактор , оверэкспрессия которого часто наблюдается при раке простаты . Разработан ТФО, который специфично взаимодействует с промотором гена bcl-2 , кодирующего белок-репрессор апоптоза .

Подавление транскрипции в результате образования трёхцепочечной ДНК может лежать в основе заболеваний и патологических состояний человека. Так, при атаксии Фридрейха образование H-ДНК блокирует экспрессию интрона 1 гена FXN . В конечном итоге это приводит к запуску нейродегенеративных процессов в нервной системе и двигательным нарушениям в конечностях . Образование триплексной ДНК может распознаваться системой эксцизионной репарации нуклеотидов , которая восстанавливает двухцепочечную структуру ДНК .

Пептидонуклеиновые кислоты

Структура пептидонуклеиновой кислоты. Идентификатор в Protein Data Bank 1PNN

С дуплексной ДНК также могут взаимодействовать синтетические пептидонуклеиновые кислоты (ПНК), у которых сахарофосфатный остов заменен псевдо пептидным скелетом. Когда пептидонуклеиновая кислота связывается с дуплексной ДНК, то одна из цепей ДНК вытесняется, и образуется P-петля. Пептидонуклеиновые кислоты устойчивы к действию протеаз и могут быть использованы для запуска репарации в локусе -мишени из-за формирования H-ДНК. ПНК могут связываться с комплементарной цепочкой ДНК с высоким сродством и специфичностью посредством уотсон—криковских взаимодействий. При формировании триплексной ДНК ПНК взаимодействует с дуплексом посредством хугстиновских взаимодействий . В отличие от настоящей триплексной ДНК, гибрид ПНК и двуцепочечной ДНК стабилен, поскольку в состав ПНК входит не отрицательно заряженный сахарофосфатный остов, а нейтральный псевдопептидный скелет . В отличие от ТФО, которые связываются с дуплексной ДНК в области большой бороздки, ПНК взаимодействуют с двойной спиралью ДНК по-разному .

Последовательность дуплексной ДНК смешанного состава может быть распознана парой псевдокомплементарных ПНК, которые могут осуществлять двойную инвазию в спираль ДНК за счет одновременного образования (D) и ( U S ), которые заменяют аденин и тимин соответственно . Псевдокомплементарные ПНК образуют спирали состава ПНК:ДНК с каждой из цепей дуплекса за счёт образования пар D—T, U S —A, G—C и С—G. Другую форма инвазии дуплекса может осуществлять гомопуриновая ПНК за счёт комплементарного взаимодействия с антипараллельной цепью ДНК .

Наконец, ПНК могут образовывать «зажим» ( англ. clamp ) на сайте-мишени в результате химической модификации. Один вид «зажима» включает структуру из двух ПНК, соединённых гибким линкером — 8-амино-3,6-диоксаоктаноевой кислотой . Эта структура образует триплекс состава ПНК:ДНК:ПНК в сайте-мишени, причем одна из ПНК взаимодействует с антипараллельной цепью ДНК с помощью уотсон-криковских пар, а другая цепь формирует хугстиновские пары с другой цепью, причем вторая цепь обязательно должна содержать гомопуриновый или гомопиримидиновый участок, с которым взаимодействует ПНК . Другая форма «зажима» известна как «хвостовой зажим» ( англ. tail clamp ). Она состоит из «зажима» ПНК:ДНК:ПНК и дополнительного дуплекса ДНК:ПНК, который формирует «хвост» длиной 5—10 пар оснований . В этом случае необходимости в гомопуриновом или гомопиримидиновом участке в исходном дуплексе ДНК нет .

Функции

Формирование такой нестабильной структуры, как H-ДНК, может стать причиной геномной нестабильности в месте ее появления . Например, рядом с промотором P1 гена c- MYC присутствуют полипуриновые участки, способные к формированию триплексной ДНК, причем её образование приводит к повышению нестабильности вблизи c-MYC . Эксперименты на показали, что внедрение человеческих последовательностей, склонных к переходу в триплексное состояние, вместе с последовательностями, которые могут перейти в Z-ДНК , в участки генома, для которых не было известно случаев генетической нестабильности, приводит к появлению нестабильности в них . Кроме того, известно, что формирование H-ДНК может способствовать транслокациям между 14 и 18 хромосомами , которые лежат в основе многих видов рака , например, фолликулярной лимфомы . Учёные показали, что снижение вероятности формирования H-ДНК снижает и вероятность транслокаций .

Трёхцепочечная ДНК может мешать нормальной репликации и, как и другие неканонические структуры ДНК, повышать частоту мутаций в области формирования . Как отмечалось выше, H-ДНК может представлять собой физическое препятствие для транскрипции. Как показали эксперименты с , транскрипционный аппарат не мог преодолеть уотсон-криковские и хугстиновские взаимодействия, связывающие цепи триплекса, что приводило к остановке транскрипции . Остановка транскрипции при столкновении транскрипционной машинерии с H-ДНК активирует сопряжённую с транскрипцией репарацию, из-за действия которой H-ДНК вырезается, приводя к делециям .

Трёхцепочечная ДНК может распознаваться разными нуклеазами . Например, нуклеазы и ERCC1-XPG, задействованные в эксцизионной репарации нуклеотидов, разрезают H-ДНК в области петли, формируемой цепями, которые взаимодействуют при помощи хугстиновских пар, и 5'-концом цепи, которая формирует уотсон-криковские пары . Этот разрыв может приводить к крупным делециям, которые приводят к геномной нестабильности. Нуклеаза , напротив, препятствует геномной нестабильности. Она, как и ERCC1-XPG, вносит разрыв в H-ДНК на 5'-конце цепи, не участвующей в хугстиновских взаимодействиях. В HeLa , лишённых FEN1, количество делеций вблизи H-ДНК больше, чем у клеток с FEN1, причем мутагенный эффект H-ДНК в клетках, лишенных FEN1, был наиболее выражен при репликации ДНК. Таким образом, FEN1 подавляет мутагенез, индуцированный H-ДНК, зависимо от репликации .

Применение

Как упоминалось выше, ТФО может стать средством генной терапии. Основную сложность в медицинском применении ТФО и пептидонуклеиновых кислот составляет их доставка в клетки . В 2013 году в рамках исследования, нацеленного на изменение экспрессии генов в гемопоэтических клетках , было предложено сшивать молекулы пептидонуклеиновых кислот с ( англ. cell penetrating peptide, CPPs ), а также наночастицами из . С помощью такого подхода авторам работы удалось модифицировать 6 пар оснований в составе гена CCR5 , мутации в котором связывают с устойчивостью к ВИЧ . CCPs позволяют беспрепятственно доставлять внутрь клеток небольшие «грузы», такие как небольшие биомолекулы . Поли(молочно-ко-гликоевая кислота) представляет собой биоразлагаемый полимер , в частицы из которого можно заключить молекулы пептидонуклеиновых кислот. Доставка пептидонуклеиновых кислот в составе наночастиц в клетки-мишени была использована в другом исследовании, посвящённом терапии муковисцидоза . Пептидонуклеиновые кислоты вместе с молекулой ДНК-донором были упакованы в наночастицы и доставлены в клетки эпителия бронхов с целью редактирования мутации в гене CFTR .

История изучения

В 1950-х годах, когда точная структура ДНК была неизвестна, трёхцепочечная спираль рассматривалась в качестве одной из возможных моделей организации ДНК в клетке. Трёхцепочечную структуру ДНК как наиболее вероятную рассматривали Лайнус Полинг и ( англ. Robert Corey ), представившие трёхцепочечную модель ДНК в 1953 году . Уотсон и Крик, впоследствии получившие Нобелевскую премию по химии за определение структуры ДНК, также первоначально склонялись к трёхцепочечной модели, однако они увидели в ней ряд проблем, не согласующихся с имеющимися на тот момент экспериментальными данными. В частности, отрицательно заряженные фосфаты , обращённые к оси спирали, отталкивались бы друг от друга в силу электростатических причин, что делало бы невозможным существование стабильной тройной спирали. В трёхцепочечной модели Полинга и Корей некоторые ван-дер-Ваальсовы расстояния были слишком малы. Р. Фрэйзер ( англ. R. Fraser ) также предложил свою модель тройной спирали, в которой фосфаты были расположены на поверхности спирали, а внутрь были обращены азотистые основания, однако она не подкреплялась экспериментальными данными .

Альтернативная структура трёхцепочечной ДНК была предложена в 1957 году . Дж. Фензенфельд, Д. Р. Дэвис и А. Рич предсказали, что стабильная трёхцепочечная ДНК может быть сформирована, если одна цепь состоит только из пуриновых нуклеотидов, а две другие — только из пиримидинов . Считалось, что in vivo такая структура формируется только как промежуточный продукт действия белка в ходе рекомбинации у бактерии Escherichia coli . Модели трёхцепочечной ДНК, предложенные в 1960-х годах, предсказывали формирование не уотсон-криковских, а хугстиновских пар в большой бороздке ДНК . Спустя некоторое время была предложена модель трёхцепочечной ДНК, состоящей из одной пиримидиновой и двух пуриновых цепей . Открытие трёхцепочечной ДНК в живых клетках в конце 1980-х годов в составе суперскрученных плазмид показало, что образование H-ДНК в принципе возможно в живых клетках . Кроме того, вскоре было показано, что гомопиримидиновые и некоторые обогащённые пуринами олигонуклеотиды могут связываться со специфическими последовательностями в дуплексной ДНК, приводя к образованию трёхцепочечной ДНК .

Примечания

  1. Rhee S. , Han Zj. , Liu K. , Miles H. T. , Davies D. R. (англ.) // Biochemistry. — 1999. — 21 December ( vol. 38 , no. 51 ). — P. 16810—16815 . — doi : . — . [ ]
  2. Mergny J. L. , Sun J. S. , Rougée M. , Montenay-Garestier T. , Barcelo F. , Chomilier J. , Hélène C. (англ.) // Biochemistry. — 1991. — 8 October ( vol. 30 , no. 40 ). — P. 9791—9798 . — doi : . — . [ ]
  3. ↑ Ussery D. W. , Sinden R. R. (англ.) // Biochemistry. — 1993. — 22 June ( vol. 32 , no. 24 ). — P. 6206—6213 . — doi : . — . [ ]
  4. Dayn A. , Samadashwily G. M. , Mirkin S. M. (англ.) // Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America. — 1992. — 1 December ( vol. 89 , no. 23 ). — P. 11406—11410 . — doi : . — . [ ]
  5. ↑ Lyamichev V. I. , Mirkin S. M. , Frank-Kamenetskii M. D. (англ.) // Journal Of Biomolecular Structure & Dynamics. — 1986. — February ( vol. 3 , no. 4 ). — P. 667—669 . — doi : . — . [ ]
  6. ↑ Frank-Kamenetskii M. D. , Mirkin S. M. (англ.) // Annual Review Of Biochemistry. — 1995. — Vol. 64 . — P. 65—95 . — doi : . — . [ ]
  7. Brázdová M. , Tichý V. , Helma R. , Bažantová P. , Polášková A. , Krejčí A. , Petr M. , Navrátilová L. , Tichá O. , Nejedlý K. , Bennink M. L. , Subramaniam V. , Bábková Z. , Martínek T. , Lexa M. , Adámik M. (англ.) // PloS One. — 2016. — Vol. 11 , no. 12 . — P. e0167439—0167439 . — doi : . — . [ ]
  8. Graham M. K. , Brown T. R. , Miller P. S. (англ.) // Biochemistry. — 2015. — 7 April ( vol. 54 , no. 13 ). — P. 2270—2282 . — doi : . — . [ ]
  9. Carbone G. M. , Napoli S. , Valentini A. , Cavalli F. , Watson D. K. , Catapano C. V. (англ.) // Nucleic Acids Research. — 2004. — Vol. 32 , no. 14 . — P. 4358—4367 . — doi : . — . [ ]
  10. Shen C. , Rattat D. , Buck A. , Mehrke G. , Polat B. , Ribbert H. , Schirrmeister H. , Mahren B. , Matuschek C. , Reske S. N. (англ.) // Cancer Biotherapy & Radiopharmaceuticals. — 2003. — February ( vol. 18 , no. 1 ). — P. 17—26 . — doi : . — . [ ]
  11. Sakamoto N. , Chastain P. D. , Parniewski P. , Ohshima K. , Pandolfo M. , Griffith J. D. , Wells R. D. (англ.) // Molecular Cell. — 1999. — April ( vol. 3 , no. 4 ). — P. 465—475 . — doi : . — . [ ]
  12. Bacolla A. , Wells R. D. (англ.) // Molecular Carcinogenesis. — 2009. — April ( vol. 48 , no. 4 ). — P. 273—285 . — doi : . — . [ ]
  13. Kaushik Tiwari M. , Adaku N. , Peart N. , Rogers F. A. (англ.) // Nucleic Acids Research. — 2016. — 19 September ( vol. 44 , no. 16 ). — P. 7742—7754 . — doi : . — . [ ]
  14. ↑ Jain A. , Wang G. , Vasquez K. M. (англ.) // Biochimie. — 2008. — August ( vol. 90 , no. 8 ). — P. 1117—1130 . — doi : . — . [ ]
  15. ↑ Hansen M. E. , Bentin T. , Nielsen P. E. (англ.) // Nucleic Acids Research. — 2009. — July ( vol. 37 , no. 13 ). — P. 4498—4507 . — doi : . — . [ ]
  16. Ricciardi A. S. , McNeer N. A. , Anandalingam K. K. , Saltzman W. M. , Glazer P. M. (англ.) // Methods In Molecular Biology (Clifton, N.J.). — 2014. — Vol. 1176 . — P. 89—106 . — doi : . — . [ ]
  17. ↑ Rogers F. A. , Vasquez K. M. , Egholm M. , Glazer P. M. (англ.) // Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America. — 2002. — 24 December ( vol. 99 , no. 26 ). — P. 16695—16700 . — doi : . — . [ ]
  18. Montazersaheb S. , Hejazi M. S. , Nozad Charoudeh H. (англ.) // Advanced Pharmaceutical Bulletin. — 2018. — November ( vol. 8 , no. 4 ). — P. 551—563 . — . [ ]
  19. McKinney J. A. , Wang G. , Mukherjee A. , Christensen L. , Subramanian SHS , Zhao J. , Vasquez K. M. (англ.) // Nature Communications. — 2020. — 13 January ( vol. 11 , no. 1 ). — P. 236—236 . — doi : . — . [ ]
  20. ↑ Wang G. , Vasquez K. M. (англ.) // DNA Repair. — 2014. — July ( vol. 19 ). — P. 143—151 . — doi : . — . [ ]
  21. Raghavan S. C. , Chastain P. , Lee J. S. , Hegde B. G. , Houston S. , Langen R. , Hsieh C. L. , Haworth I. S. , Lieber M. R. (англ.) // The Journal Of Biological Chemistry. — 2005. — 17 June ( vol. 280 , no. 24 ). — P. 22749—22760 . — doi : . — . [ ]
  22. ↑ Wang G. , Vasquez K. M. (англ.) // Genes. — 2017. — 5 January ( vol. 8 , no. 1 ). — doi : . — . [ ]
  23. Pandey S. , Ogloblina A. M. , Belotserkovskii B. P. , Dolinnaya N. G. , Yakubovskaya M. G. , Mirkin S. M. , Hanawalt P. C. (англ.) // Nucleic Acids Research. — 2015. — 18 August ( vol. 43 , no. 14 ). — P. 6994—7004 . — doi : . — . [ ]
  24. Belotserkovskii B. P. , De Silva E. , Tornaletti S. , Wang G. , Vasquez K. M. , Hanawalt P. C. (англ.) // The Journal Of Biological Chemistry. — 2007. — 2 November ( vol. 282 , no. 44 ). — P. 32433—32441 . — doi : . — . [ ]
  25. ↑ Zhao J. , Wang G. , Del Mundo I. M. , McKinney J. A. , Lu X. , Bacolla A. , Boulware S. B. , Zhang C. , Zhang H. , Ren P. , Freudenreich C. H. , Vasquez K. M. (англ.) // Cell Reports. — 2018. — 30 January ( vol. 22 , no. 5 ). — P. 1200—1210 . — doi : . — . [ ]
  26. Hnedzko D. , Cheruiyot S. K. , Rozners E. (англ.) // Current Protocols In Nucleic Acid Chemistry. — 2014. — 8 September ( vol. 58 ). — P. 4—60 . — doi : . — . [ ]
  27. McNeer N. A. , Schleifman E. B. , Cuthbert A. , Brehm M. , Jackson A. , Cheng C. , Anandalingam K. , Kumar P. , Shultz L. D. , Greiner D. L. , Mark Saltzman W. , Glazer P. M. (англ.) // Gene Therapy. — 2013. — June ( vol. 20 , no. 6 ). — P. 658—669 . — doi : . — . [ ]
  28. Schleifman E. B. , Bindra R. , Leif J. , del Campo J. , Rogers F. A. , Uchil P. , Kutsch O. , Shultz L. D. , Kumar P. , Greiner D. L. , Glazer P. M. (англ.) // Chemistry & Biology. — 2011. — 23 September ( vol. 18 , no. 9 ). — P. 1189—1198 . — doi : . — . [ ]
  29. McNeer N. A. , Anandalingam K. , Fields R. J. , Caputo C. , Kopic S. , Gupta A. , Quijano E. , Polikoff L. , Kong Y. , Bahal R. , Geibel J. P. , Glazer P. M. , Saltzman W. M. , Egan M. E. (англ.) // Nature Communications. — 2015. — 27 April ( vol. 6 ). — P. 6952—6952 . — doi : . — . [ ]
  30. Pauling L. , Corey R. B. (англ.) // Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America. — 1953. — February ( vol. 39 , no. 2 ). — P. 84—97 . — doi : . — . [ ]
  31. PAULING L , COREY RB. (англ.) // Nature. — 1953. — 21 February ( vol. 171 , no. 4347 ). — P. 346—346 . — doi : . — . [ ]
  32. Fraser R. D. (англ.) // Journal Of Structural Biology. — 2004. — March ( vol. 145 , no. 3 ). — P. 184—185 . — doi : . — . [ ]
  33. ↑ Felsenfeld G. , Davies David R. , Rich Alexander. (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 1957. — April ( vol. 79 , no. 8 ). — P. 2023—2024 . — ISSN . — doi : . [ ]
  34. Hanvey J. C. , Shimizu M. , Wells R. D. (англ.) // Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America. — 1988. — September ( vol. 85 , no. 17 ). — P. 6292—6296 . — doi : . — . [ ]
  35. Mirkin S. M. , Lyamichev V. I. , Drushlyak K. N. , Dobrynin V. N. , Filippov S. A. , Frank-Kamenetskii M. D. (англ.) // Nature. — 1987. — 3 December ( vol. 330 , no. 6147 ). — P. 495—497 . — doi : . — . [ ]
Источник —

ainsleigh
  • 2020-07-29
  • 1
  • Tags:

Same as Трёхцепочечная ДНК

The title for the last searches